工程翻新轮胎力学特性及性能补强机理研究

发布时间：2017-03-31 14:11

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【摘要】：工程翻新轮胎在使用过程中经常出现胎面磨损加剧、崩花掉块、胎面脱层,甚至出现被压爆、刺爆的失效形式,目前研究主要通过改进胎面胶配方设计、改善翻新工艺等方法探索解决上述问题,对工程翻新轮胎综合力学性能研究相对较少,轮胎翻新时并未充分考虑轮胎的力学特性及使用工况,导致工程翻新轮胎质量参差不齐,使用寿命低下。为此,本文以26.5R25工程翻新轮胎为基本研究对象,以提高使用性能为目的,构建了工程翻新轮胎多元复合层型、力学模型及材料本构模型,进行了工程翻新轮胎的力学特性有限元数值模拟及试验研究,探讨了常见失效形式下的工程翻新轮胎性能补强及机理,并应用生命周期理论对性能补强下的工程翻新轮胎进行了能量恢复效果及环境影响评价分析。应用自然平衡轮廓理论,分析并设计了以旧胎体层、缓冲层、胎面层为基本组成的工程翻新轮胎结构及尺寸；通过理论分析及试验测试手段,构建了工程翻新轮胎多元复合层型及复合层结构下的力学模型、接触模型；从材料层次角度,构建了工程翻新轮胎各复合层本构模型,对各复合层的应力-应变关系矩阵进行了描述。依据所构建的理论模型,利用Pro/E WildFire及ANSYS Workbench软件构建了工程翻新轮胎多元复合层几何模型和有限元分析模型；以试验测试并结合Gough-Tangorra公式、Ekvall公式获取有限元分析所用材料参数为手段,分析了工程翻新轮胎自由充气、自由旋转及静态接地工况下的变形特性、静态接地特性,获得了工程翻新轮胎载荷-变形、接地压力、接地印痕形状及接地面积等规律。获得了工程翻新轮胎各复合层的应力-应变及剪切应力-应变规律,分析了各层相互作用的微观力学机制；分析了轮辋约束及地面接触约束两种工况下工程翻新轮胎的振动模态,获得了工程翻新轮胎前20阶固有频率和固有振型；分析了不同速度及胎压下,工程翻新轮胎各复合层及层间的稳态温度场分布规律,探讨了工程翻新轮胎的温升特性。建立了工程翻新轮胎变形特性、接地特性、稳态温度场及胎面橡胶物理机械性能参数等试验测试系统,获得了工程翻新轮胎变形特性、接地压力、接地印痕及稳态温度场等分布规律,并与仿真结果进行了对比分析,验证了仿真模型的有效性；获得了工程翻新轮胎及性能补强翻新轮胎橡胶材料物理机械性能参数,评价了工程翻新轮胎的使用性能。仿真及试验结果表明：工程翻新轮胎比相同工况下同型号新轮胎径向变形和侧向变形均要小,旧胎体的橡胶老化程度对工程翻新轮胎的变形特性会产生较大影响；工程翻新轮胎胎体层及带束层为主要承力层,二者的质量好坏对工程翻新轮胎的承载特性会产生直接影响；缓冲层与带束层之间存在较大的剪切力；旧胎体胎肩内侧及翻新轮胎胎肩部位热量集聚、温度较高。探讨了胎面橡胶基体配方补强剂、胎面加增强体及胎体加增强体三种性能补强方式,通过试验对比分析,评价了不同补强方式下的使用性能及补强效果,探讨了工程翻新轮胎性能补强机理。研究表明：炭黑N151质量份为40时；炭黑N330质量份为40、白炭黑质量份为20时；短切碳纤维长度为6mm、质量分数为7%左右时；短钢丝纤维在长度为5mm、质量分数为10%左右时；以上几种情况下,工程翻新轮胎胎面的耐磨性能及抗崩花掉块性能补强效果较为理想。同时,利用废旧子午线轮胎钢丝对旧胎体进行性能补强,工程翻新轮胎的承载、抗压及抗刺爆能力获得了有效提高。构建了基于生命周期分析的工程轮胎与工程翻新轮胎能量消耗模型及环境影响模型,对比分析了工程废旧轮胎再利用阶段中一次翻新、三种性能补强方式翻新、二次翻新、机械粉碎、低温粉碎、燃烧分解、燃烧发电等处理方式的能量消耗及对环境的影响,得到了再利用阶段几种处理方式能量恢复率及碳削减率,从生命周期角度验证了本文研究的三种性能补强翻新的可行性。研究表明：轮胎翻新的能量回收效果和碳削减效果最好,可以作为废旧工程轮胎再利用的未来发展方向；胎面增强体补强的能量回收效果最好,三种补强方式的碳削减效果相差不大。本文的研究成果可为工程翻新轮胎的性能研究提供重要的理论参考,为提高工程翻新轮胎使用寿命奠定理论基础,并对工程翻新轮胎的使用产生巨大的推动作用,具有重大的经济效益和社会效益。
【关键词】：工程翻新轮胎 多元复合层型 力学特性 性能补强机理 生命周期
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ336.1
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-14
• 1 绪论14-22
• 1.1 研究背景及意义14-16
• 1.1.1 课题来源14
• 1.1.2 研究背景14-16
• 1.1.3 研究目的及意义16
• 1.2 国内外相关研究现状及发展趋势16-18
• 1.2.1 国内外轮胎翻新技术现状16-17
• 1.2.2 国内外翻新轮胎研究现状及存在问题17-18
• 1.3 研究的主要内容18-20
• 1.4 研究方法与技术路线20-22
• 2 工程翻新轮胎多元复合层型及力学模型22-42
• 2.1 工程翻新轮胎常见的失效形式22-23
• 2.2 工程翻新轮胎结构设计23-25
• 2.3 工程翻新轮胎多元复合层型25-27
• 2.3.1 基本结构组成25-26
• 2.3.2 工程翻新轮胎多元复合层型构建26-27
• 2.4 工程翻新轮胎多元复合层型材料本构关系27-32
• 2.4.1 胎面层、缓冲层及胎侧层材料本构关系27-28
• 2.4.2 胎体层、带束层材料本构关系28-29
• 2.4.3 工程翻新轮胎各层材料参数29-32
• 2.5 工程翻新轮胎多元复合层型力学模型32-41
• 2.5.1 工程翻新轮胎地面力学模型32-33
• 2.5.2 工程翻新轮胎多元复合层型宏观力学模型33-34
• 2.5.3 工程翻新轮胎多元复合层型细观静力学模型34-36
• 2.5.4 工程翻新轮胎各层所受应力的约束条件36-37
• 2.5.5 工程翻新轮胎多元复合层型与地面接触模型37-38
• 2.5.6 大变形条件下工程翻新轮胎各层的本构关系模型38-41
• 2.6 本章小结41-42
• 3 工程翻新轮胎力学特性有限元数值模拟42-76
• 3.1 工程翻新轮胎有限元数值模拟方案42-43
• 3.2 基于Pro/E Wildfire软件的工程翻新轮胎几何模型43-45
• 3.3 工程翻新轮胎自由充气、自由旋转工况有限元数值模拟45-53
• 3.4 工程翻新轮胎静态接地工况有限元数值模拟53-62
• 3.5 工程翻新轮胎振动模态分析62-68
• 3.5.1 轮辋约束工况振动模态分析62-65
• 3.5.2 静态接地工况模态分析65-68
• 3.6 工程翻新轮胎温升特性有限元数值模68-75
• 3.6.1 工程翻新轮胎温升特性理论分析68-69
• 3.6.2 工程翻新轮胎稳态温度场有限元数值模拟69-75
• 3.7 本章小结75-76
• 4 工程翻新轮胎力学与使用特性试验76-94
• 4.1 工程翻新轮胎变形特性试验76-88
• 4.1.1 自由充气、自由旋转工况变形试验76-80
• 4.1.2 静态接地工况变形特性和接地印痕试验80-88
• 4.2 工程翻新轮胎接地压力特性试验88-90
• 4.3 工程翻新轮胎滚动工况稳态温度场试验90-92
• 4.4 工程翻新轮胎物理机械性能参数测试试验92-93
• 4.5 本章小结93-94
• 5 工程翻新轮胎性能补强试验及机理94-124
• 5.1 胎面加入补强剂的性能补强试验及机理94-102
• 5.1.1 配方设计94-95
• 5.1.2 试样制备95-96
• 5.1.3 性能测试结果及分析96-100
• 5.1.4 补强剂性能补强机理分析100-102
• 5.2 胎面加入增强体的性能补强试验及机理102-113
• 5.2.1 短切碳纤维作为增强体的胎面性能补强试验102-109
• 5.2.2 短切碳纤维作为增强体的胎面性能补强机理分析109-113
• 5.3 短钢丝纤维作为增强体的胎面性能补强及机理113-118
• 5.3.1 短钢丝纤维作为胎面增强体的性能补强试验113-116
• 5.3.2 短钢丝纤维作为增强体的胎面性能补强机理116-118
• 5.4 胎体加入增强体的性能补强工艺及机理118-123
• 5.4.1 废旧子午线轮胎钢丝作为增强体的胎体性能补强工艺118-121
• 5.4.2 废旧子午线轮胎钢丝作为增强体的胎体性能补强机理分析121-123
• 5.5 本章小结123-124
• 6 基于生命周期分析的工程翻新轮胎性能补强评价124-145
• 6.1 工程轮胎及工程翻新轮胎生命周期能量消耗分析124-125
• 6.2 工程轮胎及工程翻新轮胎生命周期能量模型125-127
• 6.2.1 能量消耗模型125-127
• 6.2.2 能量替代模型127
• 6.2.3 能量评价指标127
• 6.3 能量分析清单127-136
• 6.3.1 研究对象127
• 6.3.2 数据来源127-128
• 6.3.3 工程轮胎能量分析清单128-133
• 6.3.4 工程翻新轮胎能量分析清单133-136
• 6.4 结果分析136-138
• 6.4.1 能量消耗分析136-137
• 6.4.2 能量评价137-138
• 6.5 工程轮胎及工程翻新轮胎生命周期环境影响分析138-141
• 6.5.1 碳排放模型139-140
• 6.5.2 碳排放评价指标140-141
• 6.6 碳排放评价141-143
• 6.6.1 碳排放分析141-142
• 6.6.2 碳排放评价142-143
• 6.7 本章小结143-145
• 结论145-147
• 参考文献147-155
• 附录155-162
• 攻读学位期间发表的学术论文162-163
• 致谢163-164

【参考文献】

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1 孟春财;陈建;张敬雨;金永中;伍雅峰;;炭黑对橡胶增强机理的研究现状[J];合成橡胶工业;2012年02期

2 魏s

本文编号：279701